Aspen Plus在《化學反應工程》課程教學中的應用

王曉娟

摘要：將Aspen Plus軟件應用于《化學反應工程》課程，能夠讓學生直觀地認識化學反應器的工程特性，提高學習興趣和教學質量。

關鍵詞：化學反應工程；Aspen Plus；流程模擬

《化學反應工程》是高等學校化工專業學生的必修課，通過講授化學反應動力學、化學反應器中的傳遞特性、化學反應器的類型和結構、數學建模方法、理想反應器的設計和選型分析等，完成化學反應器的工作原理的研究。

《化學反應工程》課程教學的理論性和實踐性強，多媒體技術雖能通過文本、圖形、視頻等信息豐富學生的知識領域，但也僅能使學生通過數學計算了解理想反應器的物料衡算。而對于內部的物質和能量流動狀態難以真實描述的真實大型化學反應器，則因數學模型的參數多、計算量大、公式復雜等因素，無法直接計算。而通過流程模擬，不僅能夠對反應器的模型理論進行驗證，還能夠理解理想模型與非理想模型間的差別，對反應器有更加深刻的認識。

Aspen Plus是一款集化工設計、生產調優、設備或工藝改造等計算于一體的流程模擬軟件，具有完備的物性系統、完整的單元操作模型庫、快速可靠的流程模擬功能等，其反應器模型庫包含了《化學反應工程》重點講授的間歇釜式反應器（BR）、平推流反應器（PFR）和全混流反應器（CSTR），模塊的計算方法包含理想方程和化工熱力學涉及的非理想方程，滿足反應器的設計計算要求。

Aspen Plus也是廣泛應用于我國設計院所和企業部門中的流程模擬軟件，通過在《化學反應工程》課程中引入軟件的學習，不僅能夠使學生理解專業知識如何應用于實際工程工藝，還能夠提高學生的專業技能、拓寬學生的就業范圍、參與國際競爭，成為具備良好的應變能力的高級專門人才。

一、 Aspen Plus反應器模塊庫

Aspen Plus的動力學反應器有CSTR、PFR和BR，能夠在已知化學反應式、動力學方程和平衡關系的情況下，計算出所需的反應器體積、所能達到的轉化率、反應時間以及反應器熱負荷。

為了對比反應器的出口物料差異，選擇計量反應器（RSTOIC）作為連續反應器的對照對象，其中主要對比CSTR和PFR的出口物料差異，從工程計算的角度，說明化學反應工程這門課程對化學工程與工藝專業學習的重要性。

二、 動力學反應器的模擬比較

以相同的反應物進料為基礎，對RSTOIC、CSTR、PFR進行模塊設定，通過Aspen Plus模擬，進行出口物料的比較。

1. 流程模擬簡述

三種反應器中均進行如下可逆反應：

CH3COOH（A）+C2H5OH（B）CH3COOC2H5（C）+H2O（D）

動力學方程為：

正反應R1=1.9×108exp（-E/RT）CACB；逆反應R2=5.0×107exp（-E/RT）CCCD，E=5.95×107J/kmol。

三種反應器的進料相同，A、B、C、D四種物料的進料量分別為186.59、192.6、0、8.892 kmol/h，進料溫度為70℃，進料壓力為0.1013 MPa。流程模擬所選用的熱力學方程為NRTL-HOC。

反應器的設定中，各反應器的反應溫度為70℃，反應壓力為0.1013 MPa。其中RSTOIC的乙醇轉化率為70%；PFR的長度為2 m，內徑為0.3 m；CSTR的體積為0.14m3。

2. 運行結果比較

Aspen Plus流程模擬參數設定完成即可運行，并輸出結果，結果如表1所示。

從表1的乙酸乙酯摩爾流率可知，RSTOIC>PFR>CSTR，這是因為計量反應是一類按化學計量系數進行反應且轉化率能達到100%的反應。

三、 結論

Aspen Plus對可逆反應在不同反應器中的物料模擬結果表明，計量反應器的轉化率最大，而全混流反應器的轉化率最小，這一結果符合化學反應工程中理想反應器的基本原理。通過流程模擬，不僅能從數據上直觀地展示不同類型反應器的差異，增強學生的工程意識，還能夠讓學生接觸化工行業的大型軟件，利于學生的就業和職業發展。

參考文獻：

[1].余國琮，李士雨，張鳳寶，等.化工類專業創新型人才的培養——“化工類專業創新人才培養模式、教學內容、教學方法和教學技術改革的研究與實施”項目成果簡介[J].化工高等教育，2006，23（1）：8-11.

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